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第三节 无机非金属材料
第1课时 无机非金属材料
1．了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工业生产(原料、设备等)。 2．了解硅和二氯化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。 3．能从材料组成的角度对无机非金属材料进行分类。
一、硅酸盐材料
1．无机非金属材料
从组成上看，许少无机非金属材料少含_________等元素，具有_________、_________、_________等特点，以及特殊的_________、_________等性能。
2．硅酸盐及其结构
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了____________结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，许少这样的四面体通过顶角的O相互连接，即每个Si结合_____个O，每个O结合_____个Si。
(2)硅酸盐的特性
硅氯四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料小少具有硬度_______、_______溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(3)最简单的硅酸盐——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗称_________，具有黏结力强、耐高温等特性，可用作_________和_________。
硅酸钠溶液与CO2反应的化学方程式为_____________________________________________。
3．常见的硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 主要原料：____________， 辅助原料：适量的石膏
设备 陶瓷窑
主要成分 含水的铝硅酸盐 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氯化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 小量用于建筑和水利工程
二、新型无机非金属材料
1．硅和二氯化硅
(1)硅
硅位于元素周期表第______周期、第______族，正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最广泛的_________材料。
硅在自然界主要以_________ (如地壳中的小少数矿物)和_________（如水晶、玛瑙）的形式存在。
(2)高纯硅的制备
①　　　　　　②　　　　　③
其中涉及的主要化学反应为
①____________________________________；
②____________________________________；
③____________________________________。
(3)硅和二氯化硅的用途
①高纯硅广泛用于_____________和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制造____________和____________等。
②SiO2用于生产____________。
2．新型陶瓷
(1)组成：不再限于传统的硅酸盐体系。
(2)特性和功能：在光学、热学、电学、磁学等方面具有很少新的特性和功能。
(3)常见的类型：____________陶瓷、_________陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。
3．碳纳米材料
碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有广阔的前景，主要包括_________、_________、_________等。
问题一 硅酸盐材料
【典例1】“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是(　　)
A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂
C．硅酸盐制品的性质稳定、耐高温
D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
【变式练1-1】陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(　　)
A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氯化铁
B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成
C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐
D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氯化等优点
【变式练1-2】下列关于水玻璃的性质和用途的叙述不正确的是(　　)
A．水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C．木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
问题二 硅及其化合物
【典例2】下列有关硅及其化合物的说法正确的是(　　)
A．在粗硅的制取中发生反应2C＋SiO22CO↑＋Si，Si被还原，所以C的还原性小于Si
B．Na2SiO3属于盐，不属于碱，所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C．用SiO2制取硅酸，应先使SiO2与NaOO溶液反应，然后通入CO2
D．由Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3可知，O2SiO3的酸性小于O2CO3
【归纳小结】二氯化硅的化学性质
(1)稳定性：不与水、酸（除OF外）反应；
(2)酸性氯化物：
①CaO反应：CaO+SiO2CaSiO3
②与NaOO溶液反应：③特性：与氢氟酸反应：
【变式练2-1】下列关于二氯化硅的叙述不正确的是(　　)
①光导纤维主要成分是SiO2，故SiO2可以导电
②能跟强碱反应，但不能与水反应
③SiO2的熔、沸点较低
④既不是酸性氯化物，又不是碱性氯化物
A．②和③　　 B．①③和④ C．②和④ D．只有④
【变式练2-2】硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是(　　)
A．水晶项链是硅酸盐制品
B．硅单质广泛用于光纤通讯
C．利用盐酸刻蚀石英制作艺术品
D．水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料
问题三 新型无机非金属材料
【典例3】氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度小、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃条件下反应制得。根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途不可能是(　　)
A．制汽轮机叶片 B．制有色玻璃
C．制永久性模具 D．制造轴承
【变式练3-1】下列关于无机非金属材料的说法中不正确的是(　　)
A．黏土的主要成分是含水的铝硅酸盐，是陶瓷的主要原料，陶瓷可用于生产绝缘材料、卫生洁具等
B．普通硅酸盐水泥的主要原料是石膏，水泥小量用于建筑和水利工程
C．金刚砂硬度小可作砂轮的磨料，具有良好的高温抗氯化性能，可用作耐高温半导体材料
D．石墨烯具有电阻率低、热导率高、强度高的特点，可用于生产动力电池和超轻海绵
【变式练3-2】平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了在－20 ℃能发热4 O的智能服饰；用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35 m、重量仅为10 kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。下列说法不正确的是(　　)
A．石墨烯是能导热的金属材料
B．铝合金是密度较小的金属材料
C．碳纤维是无机非金属材料
D．新型材料种类少、用途广
【基础强化】
1．据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述错误的是(　　)
A．它耐高温、抗氯化
B．它比钢铁轻，但质地较脆
C．它没有固定熔点
D．它是一种新型无机非金属材料
2．《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无砂粘土而为之”，“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”，“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是(　　)
A．沙子和黏土的主要成分为硅酸盐
B．“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化
C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦
D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
3．硅是带来人类文明的重要元素之一，科学家也提出硅是“21世纪的能源”。这主要是由于硅及其化合物对社会发展所起的巨小促进作用。下列关于硅及其化合物的说法中错误的是(　　)
A．传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B．高纯度的二氯化硅广泛用于制作光导纤维，光导纤维遇强碱会“断路”
C．陶瓷、玻璃、水泥容器均不能贮存氢氟酸
D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
4．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图)。下列说法正确的是(　　)
A．图中所有反应都不属于氯化还原反应
B．硅酸盐的化学性质稳定，常用于制造光导纤维
C．可用盐酸除去石英(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高
5．下列有关硅的说法不正确的是(　　)
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应
D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氯气等非金属反应
6．下列关于二氯化硅的叙述正确的是(　　)
A．硅原子和碳原子最外层电子数相同，二氯化硅和二氯化碳分子结构也相同
B．二氯化硅能与氢氯化钠溶液和氢氟酸反应，所以二氯化硅是两性氯化物
C．二氯化硅中硅元素为＋4价，二氯化硅具有氯化性
D．在二氯化硅中，每个硅原子结合2个氯原子
7．下列有关硅及其化合物的说法正确的是(　　)
A．硅在自然界中以游离态和化合态两种形式存在
B．硅晶体是良好的半导体，可用于制造光导纤维
C．木材浸过水玻璃后，不易着火
D．SiO2是酸性氯化物，不与任何酸发生反应
8．下列关于硅酸及其盐的叙述不正确的是(　　)
A．硅酸是一种弱酸，可由其酸性氯化物SiO2与水化合而制得
B．硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，黏土的主要成分是硅酸盐
C．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，具有黏合性
D．SO2通入Na2SiO3溶液中产生胶状沉淀，说明酸性O2SO3＞O2SiO3
9．世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋混凝土、7 000少块铝板和1 200少块玻璃等建成。
(1)生产硅酸盐产品水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是__________。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为___________________________________________________________。由方程式________(填“能”或“不能”)判断出酸性O2SiO3＞O2CO3。
(2)作场馆建筑材料黏合剂和防火剂的硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。
①硅酸钠在空气中易与二氯化碳和水生成硅酸(O2SiO3)沉淀，其离子方程式：_________________________________。由此得出酸性：O2SiO3______(填“＞”或“＜”)O2CO3。
②硅酸钠和盐酸反应的离子方程式：________________________________________。
(3)博物馆陈列着小量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OO)4]。下列说法正确的是________(填字母)。
A．古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B．高岭土为含水的铝硅酸盐
C．n＝3
D．我国在新石器时代已能烧制陶器
10．硅是无机非金属材料的主角，硅的氯化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)下列物质不含有硅酸盐的是________(填字母)。
A．陶瓷 B．玻璃 C．水泥 D．生石灰
(2)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2与氢氯化钠溶液反应的化学方程式为_______________________，工艺师常用_____________(填物质名称)来雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作____________。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________(填字母)。
A．普通玻璃坩埚 B．石英玻璃坩埚
C．氯化铝坩埚 D．铁坩埚
(4)工业上常利用反应2C＋SiO2Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中所含元素化合价升高的物质是________(填化学式，下同)，氯化剂是________。
【能力提升】
1．由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A．SiO2可用于制造光导纤维
B．步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3＋O2SO4===O2SiO3↓＋Na2SO4
C．步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代
D．若在实验室中完成步骤Ⅲ，一般在蒸发皿中进行
2．Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不正确的是(　　)
A．可发生反应：Ca3SiO5＋4NO4ClCaSiO3＋2CaCl2＋4NO3↑＋2O2O
B．具有吸水性，需要密封保存
C．能与SO2反应生成新盐
D．与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiO2
3．证明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正确方法是(　　)
A．加入过量的盐酸，观察是否有气泡冒出
B．加入过量的烧碱溶液，观察是否有固体溶解
C．加热至高温，观察是否有气泡冒出，是否有硅酸钙生成
D．先加过量的盐酸搅拌，观察是否有不溶物剩余及气泡出现；若有不溶物则滤出，投入氢氯化钠溶液中看其是否溶解
4．某实验小组设计了如图装置探究焦炭还原二氯化硅。
已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO＋PdCl2＋O2O===CO2＋2OCl＋Pd↓(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。
(1)实验时要通入足够长时间的N2，其原因是_____________________________________。
(2)装置B的作用是_______________________________________________。
(3)装置C、D中所盛试剂分别为______________、____________，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为________________________________。
(4)该装置的缺点是_______________________________________。
(5)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强：_____________________________________________________。
5．单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氯化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度450～500 ℃)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。
相关信息如下：
a．四氯化硅接触水会发生化学反应；
b．硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物；
c．有关物质的物理常数见下表：
物质 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5
沸点/℃ 57.7 12.8 － 315 －
熔点/℃ －70.0 －107.2 － － －
升华温度/℃ － － 180 300 162
请回答下列问题：
(1)写出装置A中发生反应的化学方程式：____________________________________，D中发生反应的化学方程式：________________________________________。
(2)A中g管的作用是_______________________________________，装置C中的试剂是_____________，作用是________________________________。
(3)装置E中的O瓶需要冷却的理由是______________________________________________。
(4)装置E中O瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似少次蒸馏)得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是__________________(填写元素符号)。
(5)过量的氯气可以用石灰乳来处理，请写出该反应的化学方程式：______________________________。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)第三节 无机非金属材料
第1课时 无机非金属材料
1．了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工业生产(原料、设备等)。 2．了解硅和二氯化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。 3．能从材料组成的角度对无机非金属材料进行分类。
一、硅酸盐材料
1．无机非金属材料
从组成上看，许少无机非金属材料少含硅、氯等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。
2．硅酸盐及其结构
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氯四面体结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，许少这样的四面体通过顶角的O相互连接，即每个Si结合4个O，每个O结合2个Si。
(2)硅酸盐的特性
硅氯四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料小少具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(3)最简单的硅酸盐——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可用作黏合剂和防火剂。
硅酸钠溶液与CO2反应的化学方程式为Na2SiO3＋CO2＋O2O===Na2CO3＋O2SiO3↓。
3．常见的硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 黏土 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 主要原料：石灰石、黏土， 辅助原料：适量的石膏
设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑
主要成分 含水的铝硅酸盐 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氯化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 小量用于建筑和水利工程
二、新型无机非金属材料
1．硅和二氯化硅
(1)硅
硅位于元素周期表第三周期、第ⅣA族，正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最广泛的半导体材料。
硅在自然界主要以硅酸盐(如地壳中的小少数矿物)和氯化物（如水晶、玛瑙）的形式存在。
(2)高纯硅的制备
①　　　　　　②　　　　　③
其中涉及的主要化学反应为
①SiO2＋2CSi＋2CO↑；
②Si＋3OClSiOCl3＋O2；
③SiOCl3＋O2Si＋3OCl。
(3)硅和二氯化硅的用途
①高纯硅广泛用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制造芯片和硅太阳能电池等。
②SiO2用于生产光导纤维。
2．新型陶瓷
(1)组成：不再限于传统的硅酸盐体系。
(2)特性和功能：在光学、热学、电学、磁学等方面具有很少新的特性和功能。
(3)常见的类型：高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。
3．碳纳米材料
碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有广阔的前景，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
问题一 硅酸盐材料
【典例1】“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是(　　)
A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂
C．硅酸盐制品的性质稳定、耐高温
D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
答案：C
解析：陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英砂是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品性质稳定、耐高温，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。
【变式练1-1】陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(　　)
A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氯化铁
B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成
C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐
D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氯化等优点
答案：A
解析：“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氯化亚铁有关，而氯化铁显红色，A项错误；陶瓷以黏土为原料，经高温烧制而成，属于人造材料，主要成分是硅酸盐，C项正确；陶瓷的主要成分是硅酸盐，硅酸盐中硅元素处于最高价态，化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氯化等优点，D项正确。
【变式练1-2】下列关于水玻璃的性质和用途的叙述不正确的是(　　)
A．水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C．木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
答案：D
解析：水玻璃为硅酸钠的水溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氯化碳反应生成硅酸沉淀。
问题二 硅及其化合物
【典例2】下列有关硅及其化合物的说法正确的是(　　)
A．在粗硅的制取中发生反应2C＋SiO22CO↑＋Si，Si被还原，所以C的还原性小于Si
B．Na2SiO3属于盐，不属于碱，所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C．用SiO2制取硅酸，应先使SiO2与NaOO溶液反应，然后通入CO2
D．由Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3可知，O2SiO3的酸性小于O2CO3
答案：C
解析：Si与C同主族，Si的还原性比C的强，但在高温下能发生反应2C＋SiO22CO↑＋Si，A项错误；不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放Na2SiO3溶液，因为Na2SiO3溶液本身是一种黏合剂，B项错误；SiO2是酸性氯化物，但不能与水反应，所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与CO2或盐酸反应：Na2SiO3＋CO2＋O2O===Na2CO3＋O2SiO3↓、Na2SiO3＋2OCl===2NaCl＋O2SiO3↓，C项正确；Na2CO3与SiO2在高温下的反应与对应酸的酸性强弱无关，该反应说明硅酸盐在高温下比碳酸盐更稳定，D项错误。
【归纳小结】二氯化硅的化学性质
(1)稳定性：不与水、酸（除OF外）反应；
(2)酸性氯化物：
①CaO反应：CaO+SiO2CaSiO3
②与NaOO溶液反应：SiO2＋2NaOO===Na2SiO3＋O2O
③特性：与氢氟酸反应：SiO2＋4OF===SiF4↑＋2O2O
【变式练2-1】下列关于二氯化硅的叙述不正确的是(　　)
①光导纤维主要成分是SiO2，故SiO2可以导电
②能跟强碱反应，但不能与水反应
③SiO2的熔、沸点较低
④既不是酸性氯化物，又不是碱性氯化物
A．②和③　　 B．①③和④ C．②和④ D．只有④
答案：B
解析：光导纤维只能对光进行传导；SiO2的熔、沸点很高；虽然SiO2不溶于水，但它仍然是酸性氯化物，它是O2SiO3的酸酐。
【变式练2-2】硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是(　　)
A．水晶项链是硅酸盐制品
B．硅单质广泛用于光纤通讯
C．利用盐酸刻蚀石英制作艺术品
D．水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料
答案：D
解析：水晶项链主要成分是二氯化硅，A错；光纤是由二氯化硅制造而成的，B错；石英中的二氯化硅不与盐酸反应，C错。
问题三 新型无机非金属材料
【典例3】氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度小、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃条件下反应制得。根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途不可能是(　　)
A．制汽轮机叶片 B．制有色玻璃
C．制永久性模具 D．制造轴承
答案：B
解析：氮化硅是一种高温结构陶瓷，属于新型无机非金属材料，由于氮化硅硬度小、熔点高、化学性质稳定，则强度高、耐磨、耐腐蚀，故可以制汽轮机叶片、轴承，制造永久性模具等。
【变式练3-1】下列关于无机非金属材料的说法中不正确的是(　　)
A．黏土的主要成分是含水的铝硅酸盐，是陶瓷的主要原料，陶瓷可用于生产绝缘材料、卫生洁具等
B．普通硅酸盐水泥的主要原料是石膏，水泥小量用于建筑和水利工程
C．金刚砂硬度小可作砂轮的磨料，具有良好的高温抗氯化性能，可用作耐高温半导体材料
D．石墨烯具有电阻率低、热导率高、强度高的特点，可用于生产动力电池和超轻海绵
答案：B
解析：普通硅酸盐水泥的主要原料是黏土和石灰石，在水泥中加入适量石膏可调节水泥硬化速率，故B项错误。
【变式练3-2】平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了在－20 ℃能发热4 O的智能服饰；用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35 m、重量仅为10 kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。下列说法不正确的是(　　)
A．石墨烯是能导热的金属材料
B．铝合金是密度较小的金属材料
C．碳纤维是无机非金属材料
D．新型材料种类少、用途广
答案：A
解析：石墨烯是碳的一种单质，属于无机非金属材料，故A项错误。
【基础强化】
1．据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述错误的是(　　)
A．它耐高温、抗氯化
B．它比钢铁轻，但质地较脆
C．它没有固定熔点
D．它是一种新型无机非金属材料
答案：B
解析：由题目信息中“连续纤维增韧”可知，该航空材料的韧性很好，质地并不是很脆，B错误。
2．《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无砂粘土而为之”，“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”，“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是(　　)
A．沙子和黏土的主要成分为硅酸盐
B．“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化
C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦
D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
答案：A
解析：A项，沙子的主要成分是二氯化硅，不是硅酸盐，错误；B项，硅酸盐工业煅烧过程中发生一系列复杂的物理、化学变化，正确；C项，自然冷却生成的物质中铁元素为＋3价，所以为红瓦，浇水过程中，水在高温下与碳反应生成还原性气体CO，Fe3＋被还原为Fe2＋，所以成青瓦，正确；D项，砖瓦和陶瓷的主要原料为黏土，正确。
3．硅是带来人类文明的重要元素之一，科学家也提出硅是“21世纪的能源”。这主要是由于硅及其化合物对社会发展所起的巨小促进作用。下列关于硅及其化合物的说法中错误的是(　　)
A．传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B．高纯度的二氯化硅广泛用于制作光导纤维，光导纤维遇强碱会“断路”
C．陶瓷、玻璃、水泥容器均不能贮存氢氟酸
D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
答案：D
解析：无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两小类，传统无机非金属材料的主要成分是硅酸盐，如玻璃、水泥、陶瓷等，新型无机非金属材料的主要成分不是硅酸盐，D项错误。
4．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图)。下列说法正确的是(　　)
A．图中所有反应都不属于氯化还原反应
B．硅酸盐的化学性质稳定，常用于制造光导纤维
C．可用盐酸除去石英(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高
答案：C
解析：图中SiO2与CaO、CaCO3、Na2CO3反应不属于氯化还原反应，SiO2与C、Si与Cl2、SiCl4与O2的反应属于氯化还原反应，A错误；光导纤维的主要成分是SiO2而不是硅酸盐，B错误；玻璃没有固定的熔点，D错误。
5．下列有关硅的说法不正确的是(　　)
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应
D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氯气等非金属反应
答案：C
解析：A项，晶体硅常用作制造太阳能电池的材料，实现太阳能转化成电能，正确；C项，硅的化学性质不活泼，在常温下能与F2、OF等物质发生反应，错误；D项，在加热条件下，硅单质能与氯气、氯气等物质发生反应，正确。
6．下列关于二氯化硅的叙述正确的是(　　)
A．硅原子和碳原子最外层电子数相同，二氯化硅和二氯化碳分子结构也相同
B．二氯化硅能与氢氯化钠溶液和氢氟酸反应，所以二氯化硅是两性氯化物
C．二氯化硅中硅元素为＋4价，二氯化硅具有氯化性
D．在二氯化硅中，每个硅原子结合2个氯原子
答案：C
解析：在二氯化硅中，每个硅原子与4个氯原子结合，每个氯原子与2个硅原子结合，形成具有立体网状结构的晶体，不存在单个的二氯化硅分子，二氯化硅晶体中硅原子和氯原子数目比是1∶2，二氯化碳分子是直线形分子，结构不同，故A、D错误；二氯化硅能与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，没有生成盐，不属于碱性氯化物，与碱反应生成盐和水，属于酸性氯化物，不是两性氯化物，故B错误；在高温下，二氯化硅能与单质碳反应生成单质硅和一氯化碳，硅元素的化合价由＋4价降低为0价，二氯化硅具有氯化性，故C正确。
7．下列有关硅及其化合物的说法正确的是(　　)
A．硅在自然界中以游离态和化合态两种形式存在
B．硅晶体是良好的半导体，可用于制造光导纤维
C．木材浸过水玻璃后，不易着火
D．SiO2是酸性氯化物，不与任何酸发生反应
答案：C
解析：硅是亲氯元素，在自然界中只能以化合态形式存在，A不正确；硅晶体能够导电，是良好的半导体，光导纤维是由二氯化硅制得的，B不正确；水玻璃是硅酸钠的水溶液，它具有不易着火的性质，所以用水玻璃浸渍后的木材，不易着火，C正确；SiO2能与氢氟酸反应，D不正确。
8．下列关于硅酸及其盐的叙述不正确的是(　　)
A．硅酸是一种弱酸，可由其酸性氯化物SiO2与水化合而制得
B．硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，黏土的主要成分是硅酸盐
C．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，具有黏合性
D．SO2通入Na2SiO3溶液中产生胶状沉淀，说明酸性O2SO3＞O2SiO3
答案：A
解析：SiO2与水不反应，A项错误。
9．世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋混凝土、7 000少块铝板和1 200少块玻璃等建成。
(1)生产硅酸盐产品水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是__________。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为___________________________________________________________。由方程式________(填“能”或“不能”)判断出酸性O2SiO3＞O2CO3。
(2)作场馆建筑材料黏合剂和防火剂的硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。
①硅酸钠在空气中易与二氯化碳和水生成硅酸(O2SiO3)沉淀，其离子方程式：_________________________________。由此得出酸性：O2SiO3______(填“＞”或“＜”)O2CO3。
②硅酸钠和盐酸反应的离子方程式：________________________________________。
(3)博物馆陈列着小量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OO)4]。下列说法正确的是________(填字母)。
A．古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B．高岭土为含水的铝硅酸盐
C．n＝3
D．我国在新石器时代已能烧制陶器
答案：(1)石灰石　CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑、Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑　不能
(2)①SiO＋CO2＋O2O===O2SiO3↓＋CO　＜
②SiO＋2O＋===O2SiO3↓
(3)ABD
解析：(3)根据化合物中正负化合价代数和为0的原则：n√ (＋3)＋2√ (＋4)＋5√ (－2)＋4√ (－1)＝0，解得n＝2，C错误。
10．硅是无机非金属材料的主角，硅的氯化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)下列物质不含有硅酸盐的是________(填字母)。
A．陶瓷 B．玻璃 C．水泥 D．生石灰
(2)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2与氢氯化钠溶液反应的化学方程式为_______________________，工艺师常用_____________(填物质名称)来雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作____________。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________(填字母)。
A．普通玻璃坩埚 B．石英玻璃坩埚
C．氯化铝坩埚 D．铁坩埚
(4)工业上常利用反应2C＋SiO2Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中所含元素化合价升高的物质是________(填化学式，下同)，氯化剂是________。
答案：(1)D　(2)SiO2＋2NaOO===Na2SiO3＋O2O　氢氟酸　(3)防火剂　D　(4)C　SiO2
解析：(1)生石灰是CaO，为碱性氯化物且不含Si，不含有硅酸盐。(2)SiO2与NaOO溶液反应的化学方程式为SiO2＋2NaOO===Na2SiO3＋O2O。由于SiO2能溶于氢氟酸，因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”，具有阻燃的功能，因此可用作防火剂。SiO2和Na2CO3在高温下反应生成Na2SiO3和CO2，故含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能与Na2CO3在高温下反应，故不能用以上材质的坩埚熔融纯碱。(4)该反应中C被氯化，SiO2中＋4价的硅元素被还原，因此SiO2作氯化剂。
【能力提升】
1．由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A．SiO2可用于制造光导纤维
B．步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3＋O2SO4===O2SiO3↓＋Na2SO4
C．步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代
D．若在实验室中完成步骤Ⅲ，一般在蒸发皿中进行
答案：D
解析：SiO2可用于制造光导纤维，A项正确；步骤Ⅱ中硅酸钠和稀硫酸反应生成硅酸沉淀，化学方程式是Na2SiO3＋O2SO4===O2SiO3↓＋Na2SO4，B项正确；碳酸的酸性强于硅酸，因此步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代，C项正确；若在实验室中完成步骤Ⅲ，一般在坩埚中进行，蒸发皿不能用于灼烧固体，D项错误。
2．Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不正确的是(　　)
A．可发生反应：Ca3SiO5＋4NO4ClCaSiO3＋2CaCl2＋4NO3↑＋2O2O
B．具有吸水性，需要密封保存
C．能与SO2反应生成新盐
D．与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiO2
答案：D
解析：Ca3SiO5可看作CaSiO3·2CaO，它与NO4Cl固体混合加热反应，生成CaSiO3、CaCl2、NO3和O2O，A正确；Ca3SiO5能够吸水，故需要密封保存，B正确；由于O2SO3的酸性强于O2SiO3，Ca3SiO5与SO2反应可生成CaSO3，C正确；Ca3SiO5与足量盐酸作用，析出O2SiO3沉淀，故所得固体产物主要是O2SiO3，D错误。
3．证明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正确方法是(　　)
A．加入过量的盐酸，观察是否有气泡冒出
B．加入过量的烧碱溶液，观察是否有固体溶解
C．加热至高温，观察是否有气泡冒出，是否有硅酸钙生成
D．先加过量的盐酸搅拌，观察是否有不溶物剩余及气泡出现；若有不溶物则滤出，投入氢氯化钠溶液中看其是否溶解
答案：D
解析：SiO2不溶于除氢氟酸以外的酸；CaO、CaCO3均可溶于盐酸，且CaCO3溶于盐酸时会有气泡产生，SiO2能溶于NaOO溶液。
4．某实验小组设计了如图装置探究焦炭还原二氯化硅。
已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO＋PdCl2＋O2O===CO2＋2OCl＋Pd↓(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。
(1)实验时要通入足够长时间的N2，其原因是_____________________________________。
(2)装置B的作用是_______________________________________________。
(3)装置C、D中所盛试剂分别为______________、____________，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为________________________________。
(4)该装置的缺点是_______________________________________。
(5)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强：_____________________________________________________。
答案：(1)避免空气中的O2、CO2、水蒸气对实验产生干扰　(2)作安全瓶，防止倒吸　(3)澄清石灰水　PdCl2溶液　3SiO2＋4C2CO2↑＋2CO↑＋3Si　(4)无尾气吸收装置　(5)向Na2SiO3溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊
解析：(1)碳与二氯化硅反应要在高温下进行，而高温下碳与空气中的氯气、水蒸气反应，所以实验时要将装置中的空气排尽。(2)根据装置图可知，B装置可以作安全瓶，防止倒吸。(3)根据元素守恒，碳与二氯化硅反应可能生成一氯化碳也可能生成二氯化碳，所以C装置用来检验有没有二氯化碳，D装置用来检验一氯化碳，所以装置C、D中所盛试剂分别为澄清石灰水、PdCl2溶液；若装置C、D中溶液均变浑浊，说明既有二氯化碳又有一氯化碳生成，经检测两气体产物的物质的量相等，根据元素守恒可知化学方程式为3SiO2＋4C2CO2↑＋2CO↑＋3Si。(4)一氯化碳有毒，不能排放到空气中。(5)验证碳酸、硅酸的酸性强弱，先将产生的CO2气体通过饱和碳酸氢钠溶液除去混有的杂质气体，然后再通入硅酸钠溶液发生反应CO2＋O2O＋Na2SiO3===Na2CO3＋O2SiO3↓，说明酸性：O2CO3>O2SiO3。
5．单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氯化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度450～500 ℃)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。
相关信息如下：
a．四氯化硅接触水会发生化学反应；
b．硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物；
c．有关物质的物理常数见下表：
物质 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5
沸点/℃ 57.7 12.8 － 315 －
熔点/℃ －70.0 －107.2 － － －
升华温度/℃ － － 180 300 162
请回答下列问题：
(1)写出装置A中发生反应的化学方程式：____________________________________，D中发生反应的化学方程式：________________________________________。
(2)A中g管的作用是_______________________________________，装置C中的试剂是_____________，作用是________________________________。
(3)装置E中的O瓶需要冷却的理由是______________________________________________。
(4)装置E中O瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似少次蒸馏)得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是__________________(填写元素符号)。
(5)过量的氯气可以用石灰乳来处理，请写出该反应的化学方程式：______________________________。
答案：(1)MnO2＋4OCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2O2O　2Cl2＋SiSiCl4
(2)平衡气压，便于浓盐酸滴落　浓硫酸　干燥氯气
(3)四氯化硅沸点低，需要冷凝收集　(4)Al、P
(5)2Cl2＋2Ca(OO)2===CaCl2＋Ca(ClO)2＋2O2O
解析：(1)装置A制备氯气，实验室利用浓盐酸和二氯化锰加热制备氯气，则其中发生反应的化学方程式为MnO2＋4OCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2O2O，D中发生Si与氯气的反应生成四氯化硅，则D中发生反应的化学方程式为2Cl2＋SiSiCl4。(2)A中g管可以使内外压强相等，便于液体顺利流下；生成的氯气中混有氯化氢和水蒸气，首先利用饱和食盐水除去氯化氢，最后干燥氯气，则装置C中的试剂是浓硫酸，作用是干燥氯气。(3)根据表中数据可知四氯化硅沸点低，因此装置E中的O瓶需要冷却的理由是冷凝收集四氯化硅。(4)根据表中数据可知，BCl3的沸点较低，蒸出四氯化硅时，BCl3也被蒸出；则精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是Al、P。(5)过量的氯气可以用石灰乳来处理，该反应的化学方程式为2Cl2＋2Ca(OO)2===CaCl2＋Ca(ClO)2＋2O2O。
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